CN113092061B - 一种水槽主动吸收式造波机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水槽主动吸收式造波机系统及控制方法，其系统包括首端主动吸收式造波机、尾端主动吸收式造波机、反射率测定装置、中央伺服控制器、计算机，水槽首尾两端各布置主动吸收式造波机，波高传感器分别布置于两端的造波板上，用于实时反馈板上的波高数据，采用一台中央伺服控制器同时控制两端的伺服电机驱动造波板运行。该方案使得所有的运行数据和反馈数据实现同步采集及运算，实现高性能消波的同时，进行高精度的波浪模拟。同时采用本发明提供的控制方法能够实现高效率的反射波吸收，并能适应更宽的波谱范围，满足在长度短的水槽中，模拟精度高、波高大的实验使用需求。

Description

一种水槽主动吸收式造波机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及海岸工程、海洋工程和船舶工程实验领域中的波浪物理模拟系统，具体涉及一种水槽主动吸收式造波机系统及控制方法。

背景技术

在海岸工程、海洋工程和船舶工程等领域中，物理模型实验是研究问题的一种重要手段。科研人员利用水槽中的造波机来产生波浪，作用于模型物以研究二维边界条件下的科学和工程问题。通常造波机位于水槽的首端，水槽尾端设置有被动消波装置，而实验模型物位于水槽中间。当模型物的反射率很高时，会在模型物与造波机之间产生二次反射波，影响实验结果。为此，科研人员提出了采用主动吸收式造波机来消除二次反射波。例如，现有技术提出了一种“伺服电机驱动的水槽主动吸收式造波机原理与实现”，该系统将波高反馈传感器置于造波板上，实时反馈板前波高至控制器参与运算，以估计下一时刻造波板运动参数，通过实时修正造波板运动参数来消除二次反射波。申请号为201710312953.5的发明专利中公开了一种“无反射波浪水槽造波机”，该造波机同样采用板前波高传感器，并由两套驱动系统组成，通过微分方程的近似解代替其解析解，来实现消除二次反射波的造波机控制。申请号为201511035136.7的发明专利中公开了“一种基于力矩反馈的主动吸收式推板造波方法”，该推板造波方法通过采集伺服电机中的力矩信号来估计下一时刻的造波机的修正扭矩信号，从而控制造波机吸收二次反射波。上述文献和专利将主动吸收式造波机的应用焦点集中于吸收二次反射波，这也是主动吸收式造波机的最初出发点。但是随着工程需求和研究方向的发展，对水槽尾端消波性能也有更高的要求，例如在浮体模型的实验过程中，不但有模型物二次反射的影响，还有水槽尾端反射的影响。

一直以来，为了减少水槽尾端反射波对实验模型物的影响，研究人员利用水槽尾端设置的被动消波装置，来衰减进入其区域内的波浪，从而减少反射波。通常采用海滩原理来设计被动消波装置，为了在较宽的波浪频率范围内明显降低反射率，消波滩长度最好达到水深的10～15倍，很多实验室无法提供该场地条件。为此提出了很多新型的被动消波装置，例如，申请号为201721753462.6的实用新型专利中公开了一种“高效的实验波浪水槽共振消波装置”。申请号为201920020308.0的实用新型专利中公开了一种“用于波浪水槽试验的消波装置”，申请号为202020234755.9的实用新型专利中公开了一种“改进型波浪试验消波设施及其性能测试装置”。尽管上述专利对各自被动消波装置进行了改良，但是始终受到水槽空间尺寸、实验效率、适用的频率范围等方面限制。

目前，水槽建设场地成本越发突出，同时更高精度的非线性波浪模拟逐渐成为模型实验的主要内容。因此，长度短、精度高、波高大的水槽逐渐成为各科研机构的需求。为了解决水槽长度短带来的问题，有技术方案提出了利用主动吸收原理来实现主动消波装置。例如，申请号为201811168528.4的发明专利公开了一种“带主动式反馈消波功能的智能造波水槽”，该水槽的一端安装有主动造波装置，另一端安装有主动消波装置，通过水槽中固定位置的波浪测量仪得到波浪数据并分别反馈给造波控制装置和消波控制装置，实时调整造波板的幅度、速率和曲柄转动速率，来实现主动造波和主动消波的功能。首先其主动式反馈消波装置仅用来消波，不能同时实现主动式造波。其次，其主动造波装置与主动消波装置分别由两台计算机控制，属于两套控制系统，不能实现控制信号的同步处理工作，使总体系统功能和波浪精度受到限制。

发明内容

针对存在的上述技术问题，本发明目的在于提供一种水槽主动吸收式造波机系统及控制方法，够实现高效率的反射波吸收，并能适应更宽的波谱范围，满足在长度短的水槽中，模拟精度高、波高大的实验使用需求。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种水槽主动吸收式造波机系统，包括与中央伺服控制器相连的首端主动吸收式造波机、尾端主动吸收式造波机、反射率测定装置，所述首端主动吸收式造波机与尾端主动吸收式造波机结构相同，均包括伺服驱动器、机架、伺服电机、单元体、滑台、造波板、波高传感器，在水槽上对称设有机架，所述机架上固定有单元体，该单元体与滑台滑动连接，所述滑台下部连接有造波板，所述造波板上安装有波高传感器，所述滑台通过传动机构与伺服电机相连，所述伺服电机、波高传感器均与伺服驱动器相连；位于首端主动吸收式造波机与尾端主动吸收式造波机之间的反射率测定装置，包括反射率测定波高采集仪、反射率测定波高传感器A、反射率测定波高传感器B，所述反射率测定波高传感器A和反射率测定波高传感器B位于水槽中采集波高数据，所述波高数据通过反射率测定波高采集仪传输至中央伺服控制器。

进一步的，所述中央伺服控制器通过总线网络实时获取首端、尾端造波机运行数据和水槽中反射率，并按照本申请提供的控制方法控制造波机运行，中央伺服控制器还通过以太网接收来自计算机的数据和人机交互命令。

进一步的，所述首端主动吸收式造波机、尾端主动吸收式造波机内的造波板为推板结构和/或摇板结构；如果为推板结构，造波板和滑台间为固定连接，造波板保持与滑台相同的往复直线运动；如果为摇板结构，造波板与滑台间为铰接结构连接，同时造波板底部也通过铰接结构与水槽底部的固定铰接点连接，所述造波板绕该铰接点前后摆动。

进一步的，所述单元体上连接直线导轨，该直线导轨为滚动直线导轨或滑动直线导轨，使滑台在单元体上往复直线滑动。

进一步的，所述首端主动吸收式造波机的数量为N₀和尾端主动吸收式造波机的数量为N₁，根据水槽的宽度W_T、单块首端造波板宽度W₀和单块尾端造波板宽度W₁的组合来选取，满足N₀＝W_T/W₀，N₁＝W_T/W₁，其中，N₀和N₁为大于0的正整数。

本发明还提供一种水槽主动吸收式造波机系统的控制方法，其在上述系统中实施，具体步骤为：

设定在水槽中某个目标位置x_T处，产生目标波浪η_T(x_T,t)，将其分解为η_T(x_T,t)＝η₀(x₀,t)+η₁(x₁,t)，其中x₀和x₁分别为首端造波板和尾端造波板到目标位置x_T的距离，η₀(x₀,t)和η₁(x₁,t)分别为首端造波板上的理论波高和尾端造波板上的理论波高；根据所得造波板上的理论波高并结合造波理论，得出滑台在各自单元体上的运行轨迹

和

如果尾端造波机仅用来吸收反射波，则η₁(x₁,t)＝0，

将η₀(x₀,t)，η₁(x₁,t)，

和

数据发送给中央伺服控制器；

中央伺服控制器将

和

转化为伺服脉冲控制信号，控制对应的伺服驱动器来驱动伺服电机旋转，从而带动滑台实现

和

的运行轨迹，使造波板推动水体产生目标波浪；

造波板上的波高传感器，实时监测板面上的波高，记

为首端板上波高传感器获得的波高数据，

为尾端板上波高传感器获得的波高数据，将实时波高数据反馈回首端伺服驱动器和尾端伺服驱动器，同时中央伺服控制器获得所述实时波高数据后，分别与造波板上理论波高η₀(x₀,t)和η₁(x₁,t)做比较运算，根据主动吸收造波理论，得到各自造波板用于吸收反射波的运行轨迹，记首端造波板反射波吸收轨迹为

尾端造波板反射波吸收轨迹为

则首端造波板的总运行轨迹为

尾端造波板的总运行轨迹为

从而在消除各自造波板上的反射波的同时产生行进波；

通过反射率测定波高采集仪实时获取两支反射率测定波高传感器的波高数据来监控水槽中的波浪反射率ε_r(t)，记反射率测定波高传感器A的波高数据为η_A(x_A,t)，反射率测定波高传感器B的波高数据为η_B(x_B,t)，其中，x_A和x_B分别为传感器A和传感器B所在处的位置坐标。

进一步的，对于N₀数量的首端造波板，其运行轨迹相同，同时对于N₁数量的尾端造波板，其运行轨迹也相同。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

1.本发明极大的提升了波浪水槽的波浪模拟能力。由于水槽两端造波机均为主动吸收式造波机，既可实现主动消波功能，也可实现主动造波，即造波的同时进行主动消波。本发明的控制方法通过将水槽中目标位置的实验波谱进行分离，在目标位置形成首端造波机产生波浪与尾端造波机产生波浪叠加的状态。如此，可实现更为复杂的波谱功能，例如受限于波浪传递过程中的物理条件，无法实现超过破碎指标的极限波高，可通过本方案中双端造波机的叠加能力实现。此外，由于在造波的同时进行主动消波，不会在水槽内形成反射波。

2.本发明可实现高精度波浪模拟，由于采用中央伺服控制器同时控制两端的造波机，所有的控制信号、运行数据及反馈数据可同步采集、分析、处理和传输，实现精确控制两端造波机产生的波浪和主动消波，系统处于完全可控状态，可提高系统的控制精度，从而提高波浪模拟精度。

3.本发明提供的系统方案和控制方法能够准确完成多种实验的波谱模拟，满足在长度短的水槽中，模拟精度高、波高大的实验使用需求。

附图说明

图1是本发明实施例的系统立面布局示意图；

图2是本发明实施例中推板形式造波机示意图；

图3是本发明实施例中摇板形式造波机示意图；

图4是本发明实施例中多台造波机平面布局示意图；

图中序号说明：1-首端主动吸收式造波机；2-尾端主动吸收式造波机；3-反射率测定装置；4-中央伺服控制器；5-计算机；101-首端伺服驱动器；102-首端机架；103-首端伺服电机；104-首端单元体；105-首端滑台；106-首端造波板；107-首端板上波高传感器；108-首端直线导轨；109-固定支撑梁；201-尾端伺服驱动器；202-尾端机架；203-尾端伺服电机；204-尾端单元体；205-尾端滑台；206-尾端造波板；207-尾端板上波高传感器；208-尾端直线导轨；210-顶部铰接结构；211-底部铰接结构；301-反射率测定波高采集仪；302-反射率测定波高传感器A；303-反射率测定波高传感器B。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

本实施例提供一种水槽主动吸收式造波机系统，如图1所示，该系统包括首端主动吸收式造波机1、尾端主动吸收式造波机2、反射率测定装置3、中央伺服控制器4、计算机5。

具体而言，如图1所示，首端主动吸收式造波机1包括首端伺服驱动器101、首端机架102、首端伺服电机103、首端单元体104、首端滑台105、首端造波板106、首端板上波高传感器107；尾端主动吸收式造波机2包括尾端伺服驱动器201、尾端机架202、尾端伺服电机203、尾端单元体204、尾端滑台205、尾端造波板206、尾端板上波高传感器207；反射率测定装置3包括反射率测定波高采集仪301、反射率测定波高传感器A302、反射率测定波高传感器B303。

所述首端机架102固定安装于水槽首端的顶部，首端单元体104固定安装于首端机架102上，首端滑台105滑动安装于首端单元体104上，首端造波板106与首端滑台105连接，首端伺服电机103位于首端单元体104一侧，来驱动首端传动机构，从而带动首端滑台105和首端造波板106运动，首端伺服驱动器101通过动力信号电缆连接首端伺服电机103，首端板上波高传感器107固定安装于首端造波板上，并通过信号线连接至首端伺服驱动器101。尾端主动吸收式造波机2的内在连接关系类似于上述首端主动吸收式造波机1的内在连接关系。中央伺服控制器4通过总线网络分别连接至首端伺服驱动器101和尾端伺服驱动器201，并通过以太网接收来自计算机5的数据和人机交互命令。反射率测定波高传感器A302和反射率测定波高传感器B303位于水槽中，反射率测定波高采集仪301获得这两支传感器的波高数据，并传递给中央伺服控制器4，用于实时分析水槽中波浪反射率。

首端造波板106和尾端造波板206可同为推板结构或同为摇板结构或其中一个为推板结构另一个为摇板结构，如果为推板结构，造波板和滑台间为固定连接，造波板可保持与滑台相同的直线运动；如果为摇板结构，造波板与滑台间为顶部铰接结构连接，同时造波板通过底部铰接结构，可与水槽底部的固定铰接点连接，造波板绕该铰接点前后摆动。如图2所示，本实施例给出了推板结构示意图，造波板106(206)与滑台105(205)固定连接，并在造波板与滑台之间增加若干固定支撑梁109以保持造波板的刚性。如图3所示，本实施例给出了摇板结构示意图，造波板106(206)与滑台105(205)通过铰接结构110(210)连接，同时造波板底部铰接结构111(211)，可与水槽底部的固定铰接点连接，造波板绕该铰接点前后摆动。

首端滑台105和尾端滑台205分别安装于各自单元体的直线导轨上，直线导轨可为滚动直线导轨或滑动直线导轨，可满足滑台在单元体上做往复直线滑动。如图2和图3所示，本实施例中首端滑台105和尾端滑台205分别安装于各自单元体的直线导轨108(208)上。

本实施例中，首端单元体104和尾端单元体204内部的传动机构可以为滚珠丝杠，可把伺服电机的旋转运动转换为丝杠上螺母的直线运动，所述螺母与滑台105(205)相连，从而带动滑台在直线导轨108(208)上做往复直线运动。单元体内部的传动机构也可选择齿轮齿条、同步齿形带、电动缸等形式。当传动机构为齿轮齿条时，所述齿条位于单元体内，并与齿轮啮合，所述齿轮分别与滑台、伺服电机相连。当传动机构为同步齿形带时，同步齿形带与滑台相连，所述同步齿形带套接在单元体内的主动轮和从动轮上，所述主动轮与伺服电机相连。当传动机构为电动缸时，所述电动缸输入轴与电机轴相连，电动缸的推杆与滑台相连。

定义首端主动吸收式造波机的数量为N₀和尾端主动吸收式造波机的数量为N₁，则可根据水槽的宽度W_T、单块首端造波板宽度W₀和单块尾端造波板宽度W₁的组合来选取，满足N₀＝W_T/W₀，N₁＝W_T/W₁，其中，N₀和N₁为大于0的正整数。如图1所示，本实施例中，首端主动吸收式造波机的数量N₀＝1，尾端主动吸收式造波机的数量N₁＝1。图4则给出了首端主动吸收式造波机的数量N₀＝3，尾端主动吸收式造波机的数量N₁＝4的情况。

上述实施例还提供一种水槽主动吸收式造波机系统的造波方法，具体步骤为：

步骤1：定义二维坐标系的X轴正向为水槽首端至尾端，在计算机5中设定，在水槽中某个目标位置x_T处，产生目标波浪η_T(x_T,t)，并将其分解为η_T(x_T,t)＝η₀(x₀,t)+η₁(x₁,t)，其中x₀和x₁分别为首端造波板106和尾端造波板206到目标位置x_T的距离，η₀(x₀,t)和η₁(x₁,t)分别为首端造波板106上的理论波高和尾端造波板206上的理论波高。根据所得造波板上的理论波高并结合造波理论，计算出滑台105(205)在各自单元体上的运行轨迹

和

如果尾端造波机仅用来吸收反射波，则η₁(x₁,t)＝0，

计算机5通过以太网通信将η₀(x₀,t)，η₁(x₁,t)，

和

数据发送给中央伺服控制器4。

步骤2：中央伺服控制器4将

和

转化为伺服脉冲控制信号，控制伺服驱动器101(201)来驱动伺服电机103(203)旋转，从而带动滑台105(205)实现

和

的运行轨迹，使造波板106(206)推动水体产生目标波浪。对于N₀数量的首端造波板106，其运行轨迹相同，同时对于N₁数量的尾端造波板206，其运行轨迹相同；

步骤3：造波板上的波高传感器107(207)，实时监测板面上的波高，记

为首端板上波高传感器107获得的波高数据，

为尾端板上波高传感器207获得的波高数据，将波高数据实时反馈回首端伺服驱动器101和尾端伺服驱动器201，同时中央伺服控制器4通过总线网络获得该实时数据后，分别与造波板上理论波高η₀(x₀,t)和η₁(x₁,t)比较运算，根据主动吸收造波理论，得到各自造波板用于吸收反射波的运行轨迹，记首端造波板106反射波吸收轨迹为

尾端造波板206反射波吸收轨迹为

则首端造波板106的总运行轨迹为

尾端造波板206的总运行轨迹为

从而在消除各自造波板上的反射波的同时产生行进波。

步骤4：计算机通过反射率测定采集仪301实时获取两支反射率测定波高传感器的波高数据来监控水槽中的波浪反射率ε_r(t)，记反射率测定波高传感器A302的波高数据为η_A(x_A,t)，反射率测定波高传感器B303的波高数据为η_B(x_B,t)，其中，x_A和x_B分别为传感器A和传感器B所在处的X轴位置坐标。

进一步的，步骤1中目标波浪η_T(x_T,t)，分解为η_T(x_T,t)＝η₀(x₀,t)+η₁(x₁,t)时，可表述为如下形式，

进一步的，

并满足，

其中，ω为各个组成波成分的角频率值，a_i，a_0,i，a_1,i分别为各组成波振幅，θ_i，θ_0,i，θ_1,i分别为各组成波随机相位，k_0,i，k_1.i，为各个频率下的波数，并满足色散方程ω²＝gk₀tanhk₀h，N为采样数据个数，分解过程中需记录两个分解波的频率分布为Ω₀＝[ω_0,L,ω_0,H]和Ω₁＝[ω_1,L,ω_1,H]，用于优化步骤3中主动吸收传递函数的有效范围，其中Ω为主能量分布频率范围，ω_L为低频截止点，ω_H为高频截止点。

进一步的，求解主动吸收边界条件，η(x,t)代表造波板上理论波高，其中η_p(t)是由造波板运动x^gen(t)产生的行进波波高，

是对应的瞬态波波高。η_r(t)为反射波波高，η_rr(t)为二次反射波波高，

为造波板吸收运动x^abs(t)产生的补偿波波高，其与二次反射波波高η_rr(t)相等且相位相差180°，

为该过程中造波板产生的瞬态波波高，边界条件整合为如下形式，

该边界条件将频域及时域的波浪参数整合到一起，求解过程中结合频域傅里叶变换及Z变换，可将复杂的频域时域混合问题通过时域差分方程实现，并可得到步骤3中造波板用于吸收反射波的运行轨迹x^abs(t)与板上波高传感器获得的波高数据η^b(t)和板上理论波高数据η(x,t)的关系为，

其中，各项参数满足如下关系，

ω为各个组成波成分的角频率值，且ω_L≤ω≤ω_H，

c₀和c_m分别为造波机行进波传递函数和瞬态波传递函数，且

h为造波板前水深，k₀为行进波波数，k_m为瞬态波波数，并满足以下色散方程，

ω²＝gk₀tanhk₀h

ω²＝-gk_mtank_mh

g为重力加速度，M为瞬态波波数解的数量，l为造波板底部铰接点到水槽底的距离，d为造波板类型参数，造波板为推板时l＝∞,d＝0，造波板为摇板且底部铰接点位于水槽底时l＝0,d＝0，造波板为摇板且底部铰接点高于水槽底时l＜0,d＝-l。

本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被互相组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。

Claims (2)

1.一种水槽主动吸收式造波机系统的控制方法，其特征在于，具体步骤为：

设定在水槽中某个目标位置x_T处，产生目标波浪η_T(x_T,t)，将其分解为η_T(x_T,t)＝η₀(x₀,t)+η₁(x₁,t)，其中x₀和x₁分别为首端造波板和尾端造波板到目标位置x_T的距离，η₀(x₀,t)和η₁(x₁,t)分别为首端造波板上的理论波高和尾端造波板上的理论波高；根据所得造波板上的理论波高并结合造波理论，得出滑台在各自单元体上的运行轨迹

和

如果尾端造波机仅用来吸收反射波，则η₁(x₁,t)＝0，

将η₀(x₀,t)，η₁(x₁,t)，

和

数据发送给中央伺服控制器；

中央伺服控制器将

和

转化为伺服脉冲控制信号，控制对应的伺服驱动器来驱动伺服电机旋转，从而带动滑台实现

和

的运行轨迹，使造波板推动水体产生目标波浪；

造波板上的波高传感器，实时监测板面上的波高，记

为首端板上波高传感器获得的波高数据，

为尾端板上波高传感器获得的波高数据，将实时波高数据反馈回首端伺服驱动器和尾端伺服驱动器，同时中央伺服控制器获得所述实时波高数据后，分别与造波板上理论波高η₀(x₀,t)和η₁(x₁,t)做比较运算，根据主动吸收造波理论，得到各自造波板用于吸收反射波的运行轨迹，记首端造波板反射波吸收轨迹为

尾端造波板反射波吸收轨迹为

则首端造波板的总运行轨迹为

尾端造波板的总运行轨迹为

从而在消除各自造波板上的反射波的同时产生行进波；

通过反射率测定波高采集仪实时获取两支反射率测定波高传感器的波高数据来监控水槽中的波浪反射率ε_r(t)，记反射率测定波高传感器A的波高数据为η_A(x_A,t)，反射率测定波高传感器B的波高数据为η_B(x_B,t)，其中，x_A和x_B分别为反射率测定波高 传感器A和反射率测定波高 传感器B所在处的位置坐标；

上述方法是在一种水槽主动吸收式造波机系统中实施的，所述系统包括与中央伺服控制器相连的首端主动吸收式造波机、尾端主动吸收式造波机、反射率测定装置，所述首端主动吸收式造波机与尾端主动吸收式造波机结构相同，均包括伺服驱动器、机架、伺服电机、单元体、滑台、造波板、波高传感器，在水槽上对称设有机架，所述机架上固定有单元体，该单元体与滑台滑动连接，所述滑台下部连接有造波板，所述造波板上安装有波高传感器，所述滑台通过传动机构与伺服电机相连，所述伺服电机、波高传感器均与伺服驱动器相连；位于首端主动吸收式造波机与尾端主动吸收式造波机之间的反射率测定装置，包括反射率测定波高采集仪、反射率测定波高传感器A、反射率测定波高传感器B，所述反射率测定波高传感器A和反射率测定波高传感器B位于水槽中采集波高数据，所述波高数据通过反射率测定波高采集仪传输至中央伺服控制器。

2.根据权利要求1所述一种水槽主动吸收式造波机系统的控制方法，其特征在于，对于N₀数量的首端造波板，其运行轨迹相同，同时对于N₁数量的尾端造波板，其运行轨迹也相同。

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